Immaginate di avere una mappa dettagliata di ogni singola strada, vicolo e incrocio di una città. Ora, immaginate di poter fare lo stesso con il cervello.
Un team internazionale di oltre 127 istituzioni, riunito sotto il consorzio FlyWire, ha compiuto proprio questa impresa titanica: hanno creato una mappa completa e dettagliata delle connessioni neurali del cervello di un moscerino della frutta (Drosophila melanogaster).
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Perché studiare il cervello di un moscerino
Questa mappa, chiamata connettoma, è stata pubblicata sulla prestigiosa rivista Nature “The FlyWire connectome: neuronal wiring diagram of a complete fly” e rappresenta una pietra miliare nella storia delle neuroscienze.
Potrebbe sembrare paradossale dedicare così tante risorse allo studio del cervello di un insetto, ma la scelta della Drosophila come modello sperimentale non è casuale. Nonostante le dimensioni ridotte, il cervello del moscerino presenta sorprendenti somiglianze funzionali con quello umano. Entrambi sono in grado di eseguire comportamenti complessi come l’apprendimento, la memoria e la navigazione spaziale.
Inoltre, la Drosophila è un organismo modello ampiamente utilizzato nella ricerca biomedica per studiare una vasta gamma di malattie neurodegenerative, disturbi dello sviluppo e malattie neuropsichiatriche.
Creare una mappa completa delle connessioni neurali, ovvero un connettoma, è un’impresa eccezionale. Il cervello umano, con i suoi miliardi di neuroni e trilioni di connessioni, rappresenta una sfida ancora troppo complessa da affrontare. Il cervello della Drosophila, pur essendo molto più piccolo, presenta già una complessità notevole.
La ricerca FlyWire e l’utilizzo della microscopia elettronica
Per superare questa sfida, i ricercatori di FlyWire hanno utilizzato la microscopia elettronica, una tecnica avanzata che consente di ottenere immagini ad altissima risoluzione delle strutture cellulari.
Questa metodologia si basa sull’interazione tra un fascio di elettroni e il campione in esame, permettendo di ottenere ingrandimenti che possono arrivare fino a 500.000 volte e risoluzioni fino a nanometri.
Fig. Circuiti neuronali nel cervello di Drosophila melanogaster
Le sfide della ricerca
Tuttavia, l’utilizzo della microscopia elettronica comporta alcune sfide significative. Una delle principali difficoltà è la generazione di enormi quantità di dati grezzi durante il processo di acquisizione. Questo richiede un’elaborazione computazionale intensiva per analizzare e interpretare i dati, un compito che può richiedere notevoli risorse sia in termini di hardware, che di software.
Per analizzare e interpretare questi dati, il consorzio FlyWire ha sviluppato una piattaforma informatica all’avanguardia, che ha permesso a ricercatori di tutto il mondo di collaborare e contribuire al progetto.
Il ruolo dell’intelligenza artificiale
Grazie all’intelligenza artificiale e all’automazione, è stato possibile segmentare le immagini, identificare i singoli neuroni e ricostruire le loro connessioni.
Il consorzio ha analizzato oltre 100 terabyte di dati. Il cervello della Drosophila è stato sezionato in più di 7000 fette, ciascuna spessa solo qualche nanometro, permettendo la cattura di oltre 21 milioni di immagini. Il risultato finale di questo enorme sforzo è un connettoma completo del cervello della Drosophila, che include circa 140.000 neuroni e 54,5 milioni di sinapsi. Questa mappa dettagliata fornisce una visione senza precedenti dell’organizzazione e del funzionamento del cervello di un insetto, rappresentando un traguardo significativo nel campo delle neuroscienze.
Prospettive dello studio del connettoma del moscerino
Questa risorsa sarà utile per tracciare circuiti neuronali, generare ipotesi sulla loro funzione e validare nuovi modelli di connessione. Il connettoma del moscerino ci offre un’idea di come le informazioni vengono elaborate nel cervello e tradotte in comportamento. Inoltre, questo progetto ha portato allo sviluppo di molte tecniche e progressi nella ricerca che rappresentano un passo importante verso il connettoma da applicare successivamente al modello preclinico, e forse tra qualche anno, all’uomo.
Il connettoma è solo il primo passo
Ma il connettoma è solo il primo passo. I ricercatori di FlyWire stanno ora lavorando per comprendere come le connessioni neurali danno origine alle funzioni cerebrali. Il sistema nervoso può essere suddiviso in sottocircuiti, e ci si chiede quanta profondità abbiamo realmente bisogno per comprenderlo. Il prossimo passo sarà quello di definire un “effettoma” dal connettoma.
Se il connettoma rappresenta la mappa completa delle connessioni neurali del cervello, l’effettoma si riferisce invece alla mappa delle funzioni cerebrali che emergono da queste connessioni. In altre parole, mentre il connettoma ci dice come le diverse regioni del cervello sono collegate, l’effettoma ci spiega cosa queste connessioni permettono di fare.
Per rendere facilmente accessibile la mappa completa dei neuroni e delle loro connessioni, il team FlyWire ha sviluppato Codex (Connectome Data Explorer), che consente a chiunque abbia accesso a Internet di navigare tra tutti i neuroni e i percorsi sinaptici nella mappa del cervello del moscerino, senza dover scaricare enormi quantità di dati o utilizzare strumenti avanzati di analisi dei dati. In Codex, i neuroni e i loro elaborati processi possono essere visualizzati in 3D e le proprietà di base, come il tipo di neurotrasmettitore e i neuroni partner connessi, sono disponibili per l’intero connettoma cerebrale.
Un passo avanti nella comprensione delle malattie neurodegenerative umane
Questa conoscenza approfondita del cervello aprirà nuove strade per studiare meglio malattie neurodegenerative come l’Alzheimer e il Parkinson. Identificando specifici pattern di alterazione nella connettività cerebrale associati a queste patologie, sarà possibile intervenire in fasi più precoci della malattia, quando le possibilità di trattamento sono maggiori. Inoltre, la comprensione dei circuiti neurali coinvolti in queste malattie permetterà di sviluppare farmaci e terapie geniche altamente mirate. Questi strumenti terapeutici potranno potenzialmente essere progettati per modulare selettivamente l’attività dei circuiti danneggiati, ripristinando le funzioni cognitive e motorie compromesse dalla malattia.
Questa scoperta scientifica rappresenta un passo essenziale verso la risoluzione di uno dei più grandi misteri della neuroscienza: come funziona un cervello umano, e come alcune patologie ne compromettono la funzione?
